基于數(shù)值模擬擋水板對(duì)7055鋁合金鑄造工藝影響

馬國(guó)強(qiáng)，李 洋，楊 路，張?，q，于長(zhǎng)富

(遼寧忠旺集團(tuán)有限公司，遼寧 遼陽(yáng) 111003)

7xxx系合金因其熱加工性能好，在不同時(shí)效狀態(tài)下?lián)碛胁煌膹?qiáng)度、耐腐蝕性和韌性匹配[1-2]，隨著航天航空和汽車工業(yè)的發(fā)展，7xxx系超高強(qiáng)鋁合金的應(yīng)用日益廣泛[3-6]。其中，7055鋁合金是一種高強(qiáng)高韌鋁合金材料，被廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域[7-8]。其鑄造難點(diǎn)是裂紋敏感性強(qiáng)，易開裂，導(dǎo)致大規(guī)格鑄錠的成品率較低，故鑄造過(guò)程中采用擋水板技術(shù)可以降低其裂紋傾向[9-12]。本文通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，模擬鑄錠的溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)、枝晶生長(zhǎng)間距，分析擋水板對(duì)半連續(xù)鑄造的影響，并確定擋水板的最佳擋水位置。

1 合金成分及物化參數(shù)

采用直接水冷半連續(xù)鑄造制備7055鋁合金鑄棒，鑄棒直徑446 mm，鑄造長(zhǎng)度2000 mm，成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)為，Si 0.04，F(xiàn)e 0.08，Cu 2.0，Mg 2.0，Zn 8.2，Ti 0.01，Zr 0.11，其它單個(gè)0.05，其它合計(jì)0.15。根據(jù)合金成分計(jì)算，得出密度為2528.23kg/m3，黏度為1.28Pa.S，固相線溫度438℃，液相線溫度628℃，其中粘度、密度假設(shè)為定值。

2 數(shù)值模擬

2.1 三維模型及離散化

擋水板半連續(xù)鑄造是一種7xxx系合金常用的弱冷鑄造技術(shù)之一[13-15]，根據(jù)擋水板鑄造特殊性利用C++語(yǔ)言進(jìn)行開發(fā)，采用MILE瞬態(tài)模型進(jìn)行數(shù)值分析[4-6]，模型如圖1所示。

圖1 半連續(xù)鑄造三維模型及離散化

圖中a為鑄錠中心部分，b為鑄錠1/2R區(qū)域、c為鑄錠表面，通過(guò)點(diǎn)跟蹤分析不同工藝參數(shù)對(duì)a、b、c區(qū)域影響。擋水板固定在鑄井棚格區(qū)域，距鑄錠外表面為30mm，擋水板距結(jié)晶器下沿的距離h根據(jù)數(shù)值模擬確定。

2.2 邊界條件及工藝參數(shù)

擋水板半連續(xù)鑄造溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)的邊界條件，包括澆口邊界、一冷邊界、二冷邊界、對(duì)稱邊界條件等。工藝參數(shù)包括擋水板高度、鑄造速度、鑄造溫度、冷卻水流量、一冷強(qiáng)度、二冷強(qiáng)度，見表1。

表1 7055鋁合金鑄造工藝參數(shù)

根據(jù)表1中工藝參數(shù)分析有無(wú)擋水板情況對(duì)鑄錠的溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)、枝晶情況的影響，確定最佳的擋水板安裝位置。

3 結(jié)果與討論

3.1 擋水板對(duì)鑄錠的影響

3.1.1 擋水板對(duì)溫度場(chǎng)的影響

7055鋁合金鑄錠的溫度場(chǎng)如圖2所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，圖2(b)結(jié)晶器下端溫度梯度低于圖2(a)，且在擋水板下端溫度場(chǎng)均勻。圖2(c)中曲線顯示不同監(jiān)測(cè)位置a、b、c相同時(shí)間內(nèi)溫度逐漸下降；相同監(jiān)測(cè)位置對(duì)比有、無(wú)擋水板條件，有擋水板溫度梯度低于無(wú)擋水板情況。

3.1.2 擋水板對(duì)凝固場(chǎng)的影響

7055鋁合金鑄錠的凝固場(chǎng)如圖3所示。圖3(b)的液穴深度大于圖3(a)，且液-固區(qū)間較大。圖3(c)中曲線不同監(jiān)測(cè)位置a、b、c相同時(shí)間內(nèi)凝固率逐漸增大，a處最先凝固；在相同監(jiān)測(cè)位置有、無(wú)擋水板條件，有擋水板凝固率低于無(wú)擋水板情況。故擋水板影響鑄錠凝固時(shí)間，且液穴較無(wú)擋水板情況更深。

圖2 7055鋁合金鑄錠溫度場(chǎng)

圖3 7055鋁合金鑄錠凝固場(chǎng)

3.1.3 擋水板對(duì)應(yīng)力場(chǎng)的影響

鑒于7xxx系鋁合金具有裂紋敏感性強(qiáng)，易開裂的特點(diǎn)，其在鑄造過(guò)程中極易出現(xiàn)熱裂紋傾向，當(dāng)出現(xiàn)熱裂紋時(shí)隨著冷卻水的繼續(xù)作用產(chǎn)生冷裂紋，在鑄造過(guò)程中有明顯的裂紋“清脆聲”，安裝擋水板可以降低二冷過(guò)程中冷卻水對(duì)鑄錠的影響，降低裂紋傾向性。圖4(a)為無(wú)擋水板情況，應(yīng)力集中在表面、中心處且應(yīng)力范圍更廣、裂紋傾向更大；圖4(b)為有擋水板情況，應(yīng)力主要集中于二冷噴水區(qū)域鑄錠表面，應(yīng)力分布范圍更小，擋水板起到了降低應(yīng)力分布的作用；根據(jù)圖3(c)曲線發(fā)現(xiàn)，當(dāng)鑄造時(shí)間相同條件下，有擋水板條件下a、b區(qū)域應(yīng)力小于無(wú)擋水板條件，故在擋水板作用下鑄錠的中心應(yīng)力有明顯下降，有利于降低鑄錠中心貫穿裂紋的形成。在鑄造時(shí)間為400s～500s時(shí)，c區(qū)有擋水板一側(cè)應(yīng)力略大于無(wú)擋水板，超過(guò)500s之后無(wú)擋水板一側(cè)的應(yīng)力逐漸增加，而有擋水板一側(cè)則逐漸下降，故擋水板并不能完全降低二冷區(qū)域階段鑄錠表面的應(yīng)力大小，但可以降低鑄錠表面應(yīng)力分布，使得應(yīng)力分布范圍下降。

圖4 7055鋁合金鑄錠應(yīng)力場(chǎng)

3.2 擋水板距結(jié)晶器下沿距離對(duì)鑄錠的影響

3.2.1 不同距離對(duì)溫度場(chǎng)影響

不同擋水板距離鑄錠溫度場(chǎng)如圖5所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，隨著距離的增加，結(jié)晶器內(nèi)鑄錠的溫度梯度明顯上升，縱向裂紋傾向明顯增加，故距離不可過(guò)大，130mm時(shí)溫度場(chǎng)梯度明顯增加，故距離應(yīng)控制在60mm～100mm。

圖5 不同擋水板距離鑄錠溫度場(chǎng)

3.2.2 不同高度擋水板對(duì)凝固場(chǎng)影響

根據(jù)半連續(xù)鑄造特點(diǎn)，即隨著引錠桿的下降鑄錠逐漸凝固，圖6中紅色區(qū)域?yàn)橐合鄥^(qū)，而灰色區(qū)域?yàn)槟虆^(qū)，液-固混合區(qū)域隨著擋水板高度的增加逐漸減少，當(dāng)擋水板高度為60mm時(shí)，液-固混合區(qū)間最寬。由于固-液相區(qū)間增大會(huì)導(dǎo)致結(jié)晶緩慢，使得晶粒尺寸增大，不利于形成細(xì)小的等軸晶，故距離應(yīng)控制在100mm～130mm。

圖6 不同高度擋水板距離鑄錠凝固場(chǎng)

3.2.3 不同高度擋水板對(duì)應(yīng)力場(chǎng)影響

根據(jù)前者分析，安裝擋水板可以降低二冷過(guò)程中冷卻水對(duì)鑄錠的影響，降低裂紋傾向性，圖7為不同擋水板距離對(duì)鑄錠應(yīng)力場(chǎng)的影響。隨著距離的增加鑄錠的應(yīng)力場(chǎng)逐漸增大，應(yīng)力集中由表面向中心擴(kuò)散，h=100mm～130mm時(shí)，應(yīng)力場(chǎng)分布較廣。過(guò)分增加距離會(huì)使得擋水板作用失效，故不宜過(guò)分提高擋水板距離。綜合考慮100mm為最佳位置。

圖7 不同擋水板距離鑄錠應(yīng)力場(chǎng)

3.3 有、無(wú)擋水板對(duì)鑄錠質(zhì)量的影響

為驗(yàn)證擋水板模擬結(jié)果，進(jìn)行有、無(wú)擋水板鑄造實(shí)驗(yàn)(鑄造工藝條件見表1)，擋水板安裝在在距結(jié)晶器下沿100mm處。鑄錠質(zhì)量結(jié)果如圖8所示，有擋水板條件下鑄錠中心、表面均無(wú)裂紋，無(wú)擋水板鑄錠中心有裂紋產(chǎn)生。故安裝擋水板鑄造7xxx系鋁合金可以降低鑄錠裂紋傾向性，從而生產(chǎn)出質(zhì)量良好的鑄錠。

圖8 有、無(wú)擋水板條件下鑄錠質(zhì)量的對(duì)比

4 結(jié)論

(1) 當(dāng)使用擋水板時(shí)，鑄錠縱向溫度梯度更小、更均勻，降低鑄錠內(nèi)部應(yīng)力大小及分布且應(yīng)力分布主要集中在表面，并不能完全降低二冷區(qū)域階段鑄錠表面的應(yīng)力大小，但可降低鑄錠表面應(yīng)力分布，使得應(yīng)力范圍下降。

(2) 隨著擋水板距結(jié)晶器下沿距離的增加，鑄錠的縱向溫度梯度逐漸增加，固-液相區(qū)間逐漸減少，應(yīng)力分布由表面逐漸向鑄錠內(nèi)部擴(kuò)散，綜合考慮100mm為最佳位置。

(3) 為驗(yàn)證擋水板模擬結(jié)果，進(jìn)行有、無(wú)擋水板鑄造實(shí)驗(yàn)，得出擋水板安裝在在距結(jié)晶器下沿100mm處，鑄錠中心、表面均無(wú)裂紋，無(wú)擋水板鑄錠中心有裂紋產(chǎn)生。